(57)【要約】【課題】本発明の目的は、変位監視用途においてスペックル画像を制御し且つ測定するデバイスと方法を提供することである。【解決手段】スペックルを捕獲するための方法とデバイスが、記述される。光源から発される高コヒーレント光が使用されて、表面を照射し且つ散乱光を生成する。散乱光が、光制限要素を通過し、この光制限要素によって生成された回折光は互いに干渉してスペックルパターンを発生する。次に、画像センサが、使用されて、スペックルパターンをピックアップしてスペックル画像を形成する。従って、画像形成デバイスの移動中にスペックルサイズを拡大し且つスペックルパターンの変動を減少するために回折と干渉の効果と光制限要素が利用され、それによって、スペックルパターンが、画像中で明瞭に識別されることが出来る。【選択図】図１Ａ
2007198979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペックル画像形成装置であって、
表面に投射され且つ複数の散乱光を生成するように高コヒーレント光のビームを発する光源と、
散乱光の入射角を制限し、複数の回折光が互いに干渉して複数のスペックルを生成するように複数の回折光を生成する光制限要素と、
スペックルを受けて第１のスペックル画像を発生する画像センサと、を備え、
光制限要素と画像センサが前記表面に関して移動された後に、第２のスペックル画像が発生され、この移動の方向と距離は、第１のスペックル画像を第2のスペックル画像と比較することによって決定される、スペックル画像形成装置。
【請求項２】
光制限要素は、スペックルの画像を画像センサで形成し且つ散乱光が回折光を生成するように画像センサの前に配置されたマイクロレンズである、請求項１に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項３】
不必要な散乱光を阻止するためにマイクロレンズの回りに光阻止プレートを更に備える、請求項１に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項４】
光制限要素は、アパーチャとレンズを含み、レンズは、アパーチャの前に配置され、アパーチャによって行われる空間フィルタのために、散乱光の入射角が制限され、且つ散乱光がアパーチャを通過し且つアパーチャによって回折されると、回折光が互いに干渉して画像センサ上に画像を形成するスペックルを生成する、請求項１に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項５】
光制限要素は、アパーチャとレンズを含み、アパーチャは、レンズの前に配置され、散乱光がアパーチャを通過し且つアパーチャによって回折されると、回折光が互いに干渉して画像センサ上に画像を形成するスペックルを生成する、請求項１に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項６】
前記表面に面するアパーチャの側に配置された第２のアパーチャを更に備え、第２のアパーチャとアパーチャは、画像センサの視界を制限する、請求項５に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項７】
高コヒーレント光を収束ビームに収束するために光源の前に配置された収束レンズであるビーム減少ユニットを更に備える、請求項１に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項８】
高コヒーレント光を平行ビームに変換するために光源の前に配置されたレンズ系を更に備える、請求項１に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項９】
光源によって発された高コヒーレント光のビームの直径を減少するためのビーム減少ユニットを更に備える、請求項８に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項１０】
ビーム減少ユニットは、高コヒーレント光のビーム直径を減少するために焦点が一致する第１の収束レンズと第２の収束レンズを含む、請求項９に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項１１】
ビーム減少ユニットは、焦点が一致する第１のレンズと第３のレンズとを含む、第３のレンズは、発散レンズであり、それによって、高コヒーレント光のビームがその直径を減少される、請求項９に記載のスペックル画像形成装置。
【請求項１２】
光学式マウスであって、
表面に投射され且つ複数の散乱光を生成するように高コヒーレント光のビームを発する光源と、
散乱光から複数の回折光を生成し、それによって回折光が互いに干渉して複数のスペックルを生成する光制限要素と、
回折光を受ける画像センサであって、当該画像センサの移動の前に第１のスペックル画像を発生し、且つ前記表面に関して画像センサの移動の後に第２のスペックル画像を発生する画像センサと、
第１のスペックル画像と第２のスペックル画像を受け取り、両者を比較して、光制限要素と画像センサの変位の方向と距離を決定する処理ユニットと、を備える光学式マウス。
【請求項１３】
光制限要素は、アパーチャとレンズを含み、レンズは、アパーチャの前に配置され、それによって、散乱光の入射角がアパーチャによって制限され、回折光が散乱光によって生成され、且つ回折光が互いに干渉して画像センサにスペックル画像を生成する、請求項１２に記載の光学式マウス。
【請求項１４】
光源によって発射された高コヒーレント光のビームの直径を減少するためビーム減少ユニットを更に備える、請求項１２に記載の光学式マウス。
【請求項１５】
スペックル捕獲方法であって、
高コヒーレント光のビームを発射するステップと、
高コヒーレント光を表面に投射して複数の散乱光を生成するステップと、
散乱光を光制限要素に通過させて複数の回折光を発生するステップと、
回折光を互いに干渉させて複数のスペックルを発生し、且つスペックルの画像を記録するステップと、を備えるスペックル捕獲方法。
【請求項１６】
スペックルの画像を記録するステップに、画像センサと表面との相対移動中に発生される連続するパターン画像を比較してスペックルの移動を決定するステップが続く、請求項１５に記載のスペックル捕獲方法。
【請求項１７】
高コヒーレント光のビームを発射するステップに、高コヒーレント光の直径を減少するステップが続く、請求項１５に記載のスペックル捕獲方法。
【請求項１８】
高コヒーレント光のビームを発射するステップに、散乱光の入射角を減少して画像を入射するステップが続く、請求項１５に記載のスペックル捕獲方法。
【請求項１９】
高コヒーレント光を表面に投射して複数の散乱光を生成するステップには、散乱光を第２のアパーチャに通過させてそれによって第２のアパーカチャと光制限要素の組合せが画像センサの視界を制限するステップが続く、請求項１５に記載のスペックル捕獲方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレント光源を利用する相対移動検出の応用と、スペックルパターン画像形成構成及び技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、高コヒーレンスを有する光源である。二つの高コヒーレンス光が互いに近接し、且つ光路差（ＯＰＤ）がコヒーレント長未満である場合、これらの光は、互いに干渉する。建設的干渉と相殺的干渉があり、前者の干渉は、明フリンジを生成する一方、後者の干渉は、暗フリンジを生成する。従って、２つのコヒーレント光ビームの間の干渉は、しばしば明と暗のフリンジが交互するパターンを生成する。更に、この干渉は、光の波長に関連する。二つのビームがオーバーラップすると、位相差が波長の半分である場合、相殺的干渉が生じるが、位相差が波長の整数倍である場合、建設的干渉を生じる。その結果、検出精度が波長の半分である。レーザ光の波長は、極めて短い（例えば、可視光の波長は、０．３から０．７μｍの範囲である）ので、半波長精度は、非常に感度がよい。従って、干渉効果には、多くの用途がある。
【０００３】
高コヒーレント光が粗い表面上に投射されると、その光は、全ての方向に強く散乱される。二つの高コヒーレンス光が互いに近接し、且つＯＰＤがコヒーレント長未満である場合、干渉が生じ且つ多くの明と暗のスポットのパターンが形成される。これが、レーザスペックルの原因である。
【０００４】
光源の変位に関連しないスペックルは、ノイズと考えられ、これらのノイズは、画像品質を低下させる。しかしながら、光源の変位に相関するスペックルは、測定手段として使用されることが出来ることが発見された。最近、光源の変位に相関するスペックルの特性は、ナビゲータの相対移動を検出するために使用された。例えば、米国特許第２００５００２４６２３（ここでは、特許６２３と呼ばれる）は、光学変位方法とデバイスを開示している。特許６２３の実施の形態は、コヒーレント光源を使用してコヒーレントビームを表面に向けて発射し、次に、光ビームは、表面に反射されてそこから去る。センサは、鏡面反射光のパスに配置され、センサによって受取られた反射ビームは、このスペックルパターン内に多数のスペックルを有するスペックルパターンを含む。連続する狭バンド幅散乱パターン画像の相関は、典型的には、相対移動の変位を決定するために使用される。
【０００５】
他の関連する技術は、ＰＣＴ特許番号第ＷＯ２００４０７５０４０号（ここでは、特許０４０と呼ばれる）の特許である。この特許は、デジタルデータ処理機能を有する光学式マウス用の光信号処理方法及びデバイスを開示している。マウスのレーザビーム信号とスペックルを発生するオブジェクトの表面との間の相対変位ベクトルは、スペックルの移動する信号を収集することによって計算される。このアイデアを実施するために使用されるデバイスは、マウス中に、光―電気信号増幅整流モジュールと、方向決定カウントモジュールと、コンピュータインターフェースを含む。このデバイスは、更に、レーザ源と光―電気センサを含み、そこでは、このセンサは、オブジェクト表面から反射されたレーザ光のスペックル信号を受信するために使用される。光―電気センサは、受信した光―電気信号を増幅整流モジュールへ送信する。
【０００６】
上述の信号読取手段は、センサによって捕獲された画像のスペックル輝度の変動に基づき、それによって、マウスの移動方向と距離を計算する。０４０特許は、単純な構造を備える。しかしながら、反射表面が非常に滑らかである場合、生成されたスペックルのサイズは、非常に小さくなる。従って、スペックルの輝度変動を検出することが困難である。その場合、解像度が大きく減少し、より低い感度となる。
【０００７】
６２３特許は、主に、センサを使用して鏡面反射に等しい反射ビームを受信している。従って、センサによって受信される信号は、直流（ＤＣ）部と交流（ＡＣ）部に分割されることが出来る。ＤＣ部は、反射光の均一分布を指す。スペックルの輝度変動は、ＡＣ部に属する。スペックルのサイズが、小さ過ぎると、ＡＣ部は、抽出され且つ解析されるのが困難である。
【０００８】
要約すれば、感度は、スペックルのサイズによって決定される。小さなサイズのスペックルは、効果的に識別されることが出来ない。従って、変位センサの移動中にスペックルのサイズを制御し且つスペックルパターンの変動を減少する方法が、感度を向上するキーとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、コヒーレント光源を利用する相対移動検出の応用と、スペックルパターン画像形成構成及び技術の改良に関する。本発明の目的は、変位監視用途においてスペックル画像を制御し且つ測定するデバイスと方法を提供することである。コヒーレント光源のビームによって照射された表面を動き回る散乱光が小さな光拘束アパーチャを通過させられると、回折現象が生じる。アパーチャを通過した互いに隣接する光からの回折光学波は、互いに干渉して小さなアパーチャを通過しないものよりも大きなスペックルを生成する。このサイズ拡大効果によって、検出器アレイが各スペックルスポットをより確実に記録し、より正確にパターンの移動を決定出来る。表面とビーム源−検出器アセンブリとの間の相対移動は、検出器ユニットによって取られる連続するピクチャーフレームからスペックルパターンの位置変化を比較することによって計算されることが出来る。
【００１０】
本発明に従って、検出器アレイ内に散乱された光が、照射表面から十分に小さな領域に制限されることは重要である。レンズと一つのアパーチャ、又は複数のアパーチャの組合せは、散乱光の入射角を制限することによってその目的を果たす。小さな照射スポットを達成するために適切なビーム成形ユニットを通過するコヒーレント光源ビームを制限することによって、同じ目的を達成することをさらに助けることが出来る。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明によって開示されるスペックル画像形成デバイスは、高コヒーレント光を表面に発射して散乱光を生成する光源を有する。散乱光は、小さなアパーチャ光制限要素を通過して、次に、このアパーチャによって回折される。回折光は、互いに干渉してスペックルパターンを生成する。最後に、センサは、スペックルパターンをピックアップしてスペックル画像を形成する。
【００１２】
更に、光収縮ユニットは、光源によって発射された高コヒーレント光の直径を減少するために使用されることが出来る。或いは、光収束手段は、移動するスペックルパターンから解析出来るダイナミックレンジを増加するようにオブジェクト表面に入射するビームの直径を最小にするように使用されることが出来る。
【００１３】
本発明のスペックル画像形成方法の他の実施の形態は、高コヒーレント光を表面に発射して散乱光を生成する。散乱光は、小さなアパーチャ光制限要素を通過し、次に、回折効果を発生する。回折光は、互いに干渉してスペックルパターンを生成する。最後に、スペックルパターンが、記録されて画像を形成する。
【００１４】
画像を形成するために現在生成されているスペックルパターンを記録した後、この画像を画像センサの移動中にすでに得られた先の画像と比較するステップがあり、それによって、表面に対するセンサアセンブリの移動が決定されることが出来る。
【００１５】
高コヒーレント光を発射するステップの後に、本方法は、高コヒーレント光の直径を減少するステップを更に含む。
【００１６】
或いは、高コヒーレント光を表面に投射することによって散乱光を発生するステップの後に、本方法は、散乱光をアパーチャに通過させて散乱光の入射角度を制限するステップを更に備える。
【００１７】
このように、オブジェクト表面に対するセンサアセンブリの移動を検出するために、良好な感度は、スペックルパターンの画像が明瞭且つ安定していることを必要とする。更に、スペックル自体は、容易に識別されるために、サイズが十分に大きく且つ背景に対して高いコントラストを有することが必要である。更に、センサアセンブリの基準表面に対する移動中にスペックルパターンの変動は、識別の便宜上、十分に小さくなければならない。本発明は、回折と干渉効果を利用してスペックルのサイズを拡大し、且つ散乱光の入射角を制限してスペックル画像の変動を減少する。このように、スペックル画像は、明瞭であり、ある距離に対して基準表面に対するセンサアセンブリの移動中に殆ど変動がない。従って、ここで開示されるスペックルパターンを捕獲するためのデバイスと方法は、安定していると共に感知性がある。
【００１８】
すなわち、本願の第１発明は、スペックル画像形成装置であって、  表面に投射され且つ複数の散乱光を生成するように高コヒーレント光のビームを発する光源と、散乱光の入射角を制限し、複数の回折光が互いに干渉して複数のスペックルを生成するように複数の回折光を生成する光制限要素と、スペックルを受けて第１のスペックル画像を発生する画像センサと、を備え、光制限要素と画像センサが前記表面に関して移動された後に、第２のスペックル画像が発生され、この移動の方向と距離は、第１のスペックル画像を第2のスペックル画像と比較することによって決定される、スペックル画像形成装置である。
【００１９】
また、本願の第２発明は、光制限要素は、スペックルの画像を画像センサで形成し且つ散乱光が回折光を生成するように画像センサの前に配置されたマイクロレンズである、本願の第１発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２０】
また、本願の第３発明は、不必要な散乱光を阻止するためにマイクロレンズの回りに光阻止プレートを更に備える、本願の第１発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２１】
また、本願の第４発明は、光制限要素は、アパーチャとレンズを含み、レンズは、アパーチャの前に配置され、アパーチャによって行われる空間フィルタのために、散乱光の入射角が制限され、且つ散乱光がアパーチャを通過し且つアパーチャによって回折されると、回折光が互いに干渉して画像センサ上に画像を形成するスペックルを生成する、本願の第１発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２２】
また、本願の第５発明は、光制限要素は、アパーチャとレンズを含み、アパーチャは、レンズの前に配置され、散乱光がアパーチャを通過し且つアパーチャによって回折されると、回折光が互いに干渉して画像センサ上に画像を形成するスペックルを生成する、本願の第１発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２３】
また、本願の第６発明は、前記表面に面するアパーチャの側に配置された第２のアパーチャを更に備え、第２のアパーチャとアパーチャは、画像センサの視界を制限する、本願の第５発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２４】
また、本願の第７発明は、高コヒーレント光を収束ビームに収束するために光源の前に配置された収束レンズであるビーム減少ユニットを更に備える、本願の第１発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２５】
また、本願の第８発明は、高コヒーレント光を平行ビームに変換するために光源の前に配置されたレンズ系を更に備える、本願の第１発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２６】
また、本願の第９発明は、光源によって発された高コヒーレント光のビームの直径を減少するためのビーム減少ユニットを更に備える、本願の第８発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２７】
また、本願の第１０発明は、ビーム減少ユニットは、高コヒーレント光のビーム直径を減少するために焦点が一致する第１の収束レンズと第２の収束レンズを含む、本願の第９発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２８】
また、本願の第１１発明は、ビーム減少ユニットは、焦点が一致する第１のレンズと第３のレンズとを含む、第３のレンズは、発散レンズであり、それによって、高コヒーレント光のビームがその直径を減少される、本願の第９発明に記載のスペックル画像形成装置である。
【００２９】
また、本願の第１２発明は、光学式マウスであって、表面に投射され且つ複数の散乱光を生成するように高コヒーレント光のビームを発する光源と、散乱光から複数の回折光を生成し、それによって回折光が互いに干渉して複数のスペックルを生成する光制限要素と、回折光を受ける画像センサであって、当該画像センサの移動の前に第１のスペックル画像を発生し、且つ前記表面に関して画像センサの移動の後に第２のスペックル画像を発生する画像センサと、第１のスペックル画像と第２のスペックル画像を受け取り、両者を比較して、光制限要素と画像センサの変位の方向と距離を決定する処理ユニットと、を備える光学式マウスである。
【００３０】
また、本願の第１３発明は、光制限要素は、アパーチャとレンズを含み、レンズは、アパーチャの前に配置され、それによって、散乱光の入射角がアパーチャによって制限され、回折光が散乱光によって生成され、且つ回折光が互いに干渉して画像センサにスペックル画像を生成する、本願の第１２発明に記載の光学式マウスである。
【００３１】
また、本願の第１４発明は、光源によって発射された高コヒーレント光のビームの直径を減少するためビーム減少ユニットを更に備える、本願の第１２発明に記載の光学式マウスである。
【００３２】
また、本願の第１５発明は、スペックル捕獲方法であって、高コヒーレント光のビームを発射するステップと、高コヒーレント光を表面に投射して複数の散乱光を生成するステップと、散乱光を光制限要素に通過させて複数の回折光を発生するステップと、回折光を互いに干渉させて複数のスペックルを発生し、且つスペックルの画像を記録するステップと、を備えるスペックル捕獲方法である。
【００３３】
また、本願の第１６発明は、スペックルの画像を記録するステップに、画像センサと表面との相対移動中に発生される連続するパターン画像を比較してスペックルの移動を決定するステップが続く、本願の第１５発明に記載のスペックル捕獲方法である。
【００３４】
また、本願の第１７発明は、高コヒーレント光のビームを発射するステップに、高コヒーレント光の直径を減少するステップが続く、本願の第１５発明に記載のスペックル捕獲方法である。
【００３５】
また、本願の第１８発明は、高コヒーレント光のビームを発射するステップに、散乱光の入射角を減少して画像を入射するステップが続く、本願の第１５発明に記載のスペックル捕獲方法である。
【００３６】
また、本願の第１９発明は、高コヒーレント光を表面に投射して複数の散乱光を生成するステップには、散乱光を第２のアパーチャに通過させてそれによって第２のアパーカチャと光制限要素の組合せが画像センサの視界を制限するステップが続く、本願の第１５発明に記載のスペックル捕獲方法である。
【００３７】
本発明の応用性の更なる範囲は、以降で与えられる詳細な記述から明白となる。しかしながら、本発明の好適な実施の形態を示す詳細な記述と特定の例は、例示として与えられているに過ぎないことを理解すべきである。理由は、本発明の精神と範囲内での種々の変更及び修正は、この詳細な記述から当業者にとって明白であるからである。
【００３８】
本発明は、以下で例示としてのみ与えられる詳細な記述からより十分に理解され、従って、本発明を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明のシステム構造が図１Ａに示されている。光が表面１００に放射されると、反射光の特性は、表面１００の粗さによって決定される。表面１００が滑らかであればある程、表面１００は、より鏡面状となる。その場合、入射光１１０は、殆ど全反射され、反射エネルギーは、入射エネルギーに略等しい。表面１００が粗くなればなる程、表面１００は、よりぼんやりする。粗い表面１００に投射した後、光は、略全方向に散乱される。これは、表面１００は、光が散乱光に起因して任意の方向に伝播するように粗くなっているからである。
【００４０】
入射光１１０が、表面１００に投射した後に、レンズ１４０と画像センサ１５０は、散乱光１２０を受光するために使用される。スペックルを拡大するために、光制限要素が、画像センサ１５０の前に配置される。光制限要素は、アパーチャ１３０とレンズ１４０の組合せである。アパーチャ１３０は、スペックルのサイズを制御し、図１Ａに示されるように、レンズ１４０の前に配置されることが出来、或いは、図１Ｂに示されるように、レンズ１４０と画像センサ１５０間に配置されることが出来る。更に、図１Ｂのアパーチャ１３０の位置と直径は、スペックルのサイズを制御するのみならず、散乱光１２０の入射角を制限する。この実施の形態において、センサは、画像を捕獲するための、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）のような２次元アレイである。
【００４１】
或いは、アパーチャは、マイクロレンズ１３１によって交換されてもよく、このレンズは、図１Ｃに示されるように、光阻止プレート１３２が、光制限要素として働くようにマイクロレンズ１３１の回りに配されることを特徴とする（マイクロレンズ１３１の直径が小さいので、このレンズがアパーチャ１３０の効果を提供する）。散乱光がマイクロレンズ１３１を通過し、スペックルのサイズを制御するこのマイクロレンズ１３１によって回折する。また、マイクロレンズ１３１は、レンズ１４０として機能し、画像を画像センサ１５０上に形成する。以下のパラグラフで、光制限要素がスペックルのサイズを拡大する方法を記述する。
【００４２】
図２は、光制限要素を通過する散乱光の回折パターンを示す。レーザ光のような、高コヒーレント光１６０が、小さな直径のアパーチャ１７０を通過すると、回折が発生する。従って、光は、回折に起因して幾つかの同心リングをスクリーン１９０上に形成する。中心のものは、最大を表し、横方向幅２δの明るいスポット１８０を形成する。明るいスポット１８０の半幅δ、光波の波長λ、アパーチャ１７０の直径ｄ、及びアパーチャ１７０とスクリーン１９０との間の距離Ｚは、以下の関係を満たす。
【００４３】
【数１】
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【００４４】
図３は、散乱光１２０が照射表面上の異なった隣合う散乱中心から生成されたことを示す。散乱光１２０の各光線は、光制限要素を通過する。光制限要素は、小さな直径のアパーチャ１３０を使用して実施され、その結果、入射光の回折効果が得られる。従って、異なる明るいスポット１８０は、互いに干渉して、その結果、スペックルパターンを形成する明と暗スポットのインターレース分布となる。回折理論は、より小さなアパーチャによってより大きなスペックルサイズが造られることを予測している。従って、画像センサを使用してスペックルパターンの移動を抽出することがより容易となる。
【００４５】
開示されたシステム構造において、散乱光が光制限要素を通過しアパーチャによって回折されることによって、スペックルのサイズを画像センサアレイの最小解像要素のサイズよりも大きくする。従って、センサは、スペックルの形状を正確にディスプレイ出来、オブジェクト表面に対するセンサの移動中にスペックルパターンの移動を決定出来る。
【００４６】
画像センサ１５０のスペックルパターンの位置は、表面１００が移動すると、変化するので、スペックルパターンは、各スペックルスポットの位置変化の方向と量を告げるために、表面１００が移動する前後で略同じでなければならない。しかしながら、スペックルパターンは、不均一な表面１００から反射される散乱光１２０の干渉によって形成される。このように、スペックルのパターンは、画像センサ１５０の表面１００に対する相対移動中に変化する。しかしながら、スペックルパターンの変動は、離散的ではなくて連続的である。スペックルパターンの変動が、画像センサの表面に相対する移動中に減少されると、スペックル画像センサ１５０が表面１００に対して移動する時に、スペックルパターンは、所定の移動範囲内で強い相関を有する。従って、シーケンシャルピクチャーフレームのスペックル画像を比較することによってスペックルパターンの移動を決定する事が可能となり、従って、スペックル捕獲デバイスの変位の方向と距離を決定出来る。
【００４７】
光源は、高コヒーレント光を発光する。最も一般的に見られる高コヒーレント光は、レーザである。従って、光源は、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）、エッジ発光レーザ（ＥＥＬ），或いは狭帯域フィルタで高コヒーレント光を発光出来る発光ダイオード（ＬＥＤ）であることが出来る。
【００４８】
図４は、本発明に従ってスペックルがどのように移動するかを示す。アパーチャ１３０が移動していない時、ポイントＡとポイントＢからの散乱光１２０は、アパーチャ１３０のポイントＯを介して画像センサ１５０上の夫々ポイントＡ’とポイントＢ’に画像を形成する。アパーチャ１３０が、距離ｄｌ移動すると、照射領域もまたそれによって距離ｄｌ移動し、次に、ポイントＡとポイントＢからの散乱光１２０は、アパーチャ１３０のポイントＯ’を介して画像センサ１５０上のポイントＡ”とＢ”に画像を形成する。アパーチャ１３０が、距離ｄｌ移動すると、光ビームによって照射される表面１００の領域も、同じ方向へ距離ｄｌ移動する。元の照射領域のポイントＡと等価な新たな照射領域のポイントは、ポイントＡeqと呼ばれる。元の照射領域のポイントＢと等価な新たな照射領域のポイントは、ポイントＢｅｑと呼ばれる。ポイントＡeqとポイントＢeqからの散乱光は、アパーチャ１３０のポイントＯ’を介して画像センサ１５０上の夫々のポイントＡeq”とポイントＢeq”に夫々画像を形成する。画像センサ１５０とアパーチャ１３０が共に移動するので、従って、画像センサ１５０に対して、パスＡからＡ’及びＡｅｑからＡeq”は、幾何学的に等価となる。ポイントＡとＡeqは、画像センサ１５０上の同じ位置に画像を形成すべきである。換言すれば、画像センサ１５０に対して、ポイントＡ’とＡeq”が同じ画素に入ると共にポイントＢ’とＢeq”が同じ画素に入る。画像センサが移動した後、画像センサ１５０からスペックル画像を観察すると、ポイントＡの特徴画像が元のポイントＡeq”からポイントＡ”へ移動した。同様に、Ｂの特徴画像もポイントＢeq”からポイントＢ”へ移動する。従って、スペックルパターンを比較することによって、ポイントＡeq”とポイントＡ”との間の及びポイントＢeq”とポイントＢ”との間の変位関係を決定でき、それによって、画像センサ１５０の表面１００に対する変位の方向と距離を決定出来る。ポイントＡeq”からポイントＡ”への及びポイントＢeq”からポイントＢ”への移動によって引き起こされる変化は、幾何光学における画像の位置変化を表す。しかしながら、ポイントＡ”又はＢ”で測定されたレーザスペックルの強度の変化は、反射光路の変動によって引き起こされる光路差（ＯＰＤ）に関連する。図５Ａおよび５Ｂを参照すると、画像センサ移動後のポイントＡの光路（ＡとＡ”の間の光路）と画像センサ移動前のポイントＡの等価光路（ＡｅｑとＡ”ｅｑの間の光路）とを比較し、Ａ−Ａ”とＡｅｑ−Ａeq”の間のＯＰＤであるＯＰＤAを計算する。アパーチャ１３０の移動距離ｄｌ、ＯＰＤA、及びポイントＡからの散乱光１２０とアパーチャの法線との間の角度におって定義される入射角ΦAは、以下の関係を満たす。
【００４９】
【数２】
2007198979.tif 000004
【００５０】
従って、アパーチャ１３０の移動距離ｄｌ、ＯＰＤB、及びポイントＢからの散乱光１２０とアパーチャの法線との間の角度によって定義される入射角ΦBは、以下の関係を満たす。
【００５１】
【数３】
2007198979.tif 000005
【００５２】
ΦAがΦBに等しい場合、ＯＰＤAは、ＯＰＤBに等しい。このことは、センサアセンブリの表面に対する移動の前後のスペックルパターンの位相分布は、不変であり、これは、スペックルパターンの強度分布が、センサアセンブリの表面に対する移動の前後で変化しないことを意味している。ΦAとΦBが互いに等しくない場合、ＯＰＤAは、ＯＰＤBに等しくない。両者の差が臨界値を越えると、移動後のスペックルパターンは、移動前のスペックルパターンから大きく異なるように大きく変形する。その場合、センサの移動後に得られるスペックルパターンは、認識されることが出来ない。表面１００の粗さに依存して、スペックルがあまり変形しないように、ＯＰＤAとＯＰＤB間のかなりの差が、許容出来る。実験結果では、アルミニウムや銅プレートの最大許容ＯＰＤは、プラスチックプレートや滑らかな写真紙の最大許容ＯＰＤよりもかなり大きい。異なる表面とコヒーレント光源が使用される場合、最大許容ＯＰＤが異なるが、同じコヒーレント光源２００と同じ表面１００に対する最大許容ＯＰＤは、一定である。
【００５３】
従って、ＯＰＤの変化は、散乱光１２０の入射角Φと画像センサ１５０と組み合わされるアパーチャ１３０の変位に関連する。入射角Φは、照射領域の半径ｒおよびアパーチャ１３０と表面１００との間の距離Ｚ’に関連する。
【００５４】
【数４】
2007198979.tif 000006
【００５５】
入射角Φが非常に小さい場合、
【００５６】
【数５】
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【００５７】
となる。更に、最大許容ＯＰＤが、一定であり、アパーチャ１３０と表面１００間の距離Ｚ’が一定に保持される場合、入射角Φを減少することの必要性は、ｒが減少されなければならないことを意味する。このことは、照射領域が減少されなければならないことを示す。この場合、ある移動の範囲内では、スペックルパターンの形状が維持されることが出来、認識可能なままである。即ち、スペックル画像形成デバイスを表面に対して所定の限られた範囲内で移動すると、スペックルの形状が変化しないか或いはほんの僅かしか変化せず、その形状が依然認識可能なままである。スペックル画像形成デバイスが変位するので、このように、新たなスペックルパターンの画像が、センサアセンブリの移動後に画像センサの他の位置に形成される。従って、スペックル画像形成デバイスの移動の方向と距離は、移動中にスペックルパターンの連続する画像を記録し、それに続いてこれらの画像を連続的に比較することによって、決定されることが出来る。
【００５８】
このような状態を達成するために、入射ビームの直径が減少されなければならない。図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃを参照すると、本発明の実施の形態は、発光源の近くにビーム減少ユニット２１０を配置し、入射ビームが表面１００に投影される時に、その入射ビームの直径を減少するように働く。実施の形態の一つでは、図６Ａに示されるように、収束レンズ２１１が光源２００の前に配置され、光源２００から発光される光が収束レンズ２１１を通過する時に、その光が収束される。従って、表面１００が、この収束ビームの焦点に近接しているとき、照射領域は小さい。或いは、高コヒーレント光を平行ビームに変換するために、収束レンズ２１１が光源２００の前に配置される場合、焦点が一致する、第２の収束レンズ２１３と組み合わされる第１の収束レンズ２１２を配置出来る。第１のレンズ２１２と第２のレンズ２１３の焦点距離は、夫々、ｆ１とｆ２である。図６Ｂに示されるように、ｆ＜ｆ１である場合、入射ビームの直径が、
【００５９】
【数６】
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【００６０】
だけ減少される。更に他の解決策は、第１のレンズ２１２と第３のレンズ２１４を使用して発散レンズである第３のレンズ２１４を有するビーム減少ユニット２１０を形成する。第１のレンズ２１２と第３のレンズ２１４の焦点が一致する場合、入射ビームが、レンズ２１２と２１４によって構成される２レンズ系を通過すると、そのビームは、収縮する。このスキームでは、第１のレンズ２１２と第３のレンズ２１４間の距離がより小さくなる。図６Ｃに示されるように、このことは、この系の全体のサイズを減少することを助ける。
【００６１】
図７Ａを参照すると、光源２００近くのビームを操作することに加えて、散乱光１２０を操作することも実行可能となる。より明白には、散乱光１２０が、レンズ１４０とアパーチャ１３０に入る前に、第２のアパーチャ２１５が配置される。この第２のアパーチャ２１５は、最初に、散乱光１２０の一部を阻止し、散乱光１２０の所定の部分のみの通過を許容する。このように、画像センサの視野が第２のアパーチャ２１５によって減少される。
【００６２】
図７Ｂを参照すると、表面１００の二つのオブジェクトポイントＥとＦが基準ポイントとして選択される。ポイントＥとＦからの散乱光は、アパーチャ１３０とレンズ１４０を通過して、最終的に画像センサ１５０上の夫々ポイントＥ’とＦ’に焦点が合うべきである。光線トレーシングを使用することによって、アパーチャ１３０が位置Ｇにある場合、ポイントＥとＦからの散乱光が画像センサ１５０上に焦点が合うことが認識される。アパーチャ１３０が位置Ｈにあると、ポイントＦからの散乱光のみが画像センサ１５０上に焦点が合う。このように、アパーチャ１３０の直径と位置を適切に調節することによって、スペックルサイズが拡大され、且つ散乱光１２０の入射角は制限されることが出来る。
【００６３】
開示された、スペックルを捕獲するためのデバイス及び方法は、図８に示されているように、光学マウス３００に適用されることが出来る。光源２００と画像センサ１５０は、共に光学マウス３００のケース３１０内に配置される。光源２００から発光されるビームは、収束レンズ２１１によって収束されて表面１００に投射され、そこから、散乱光１２０がレンズ１４０及びそれに続く小さなアパーチャ１３０を通過し、最終的に画像センサ１５０上に画像形成され、次に、処理ユニット３２０に伝送される。第１のスペックル画像は、ケース３１０が移動する前に画像センサ１５０で記録され、次に、第２のスペックル画像は、ケース３１０が表面１００に対して移動した後、処理ユニット３２０で記録される。処理ユニット３２０によって、第１と第２のスペックル画像同士間の相関、及びケース３１０の表面１００に対する変位の大きさと方向が、コンピュータのカーソルの動作に対して決定される。
【００６４】
図９Ａを参照して、スペックルパターン画像形成方法は、高コヒーレント光のビームを発光すること（ステップ５００）によって開始する。この高コヒーレント光の直径が減少された後（ステップ５１０）、光は、表面に投射されて散乱光を生成する（ステップ５２０）。
【００６５】
散乱光は、光制限要素を通過して回折光を生成する（ステップ５３０）。回折光は、結果として、干渉してスペックルパターンを生成する（ステップ５４０）。スペックルパターンの画像が記録される（ステップ５５０）。次に、センサの表面に対する移動は、スペックルパターンの画像を比較することによって決定される（ステップ５６０）。
【００６６】
図９Ｂを参照すると、他の実施の形態は、高コヒーレント光のビームを発光すること（ステップ５００）から開始する。次に、高コヒーレント光が表面に投射して散乱光を生成する（ステップ５１１）。散乱光は第２のアパーチャを通過する（ステップ５２１）。更に、散乱光は、第２のアパーチャを通過し、画像センサの視野角がこの第２のアパーチャによって制限され、この第２のアパーチャは、光制限要素としても働く。散乱光が、光制限要素を通過するとき、回折光が、生成される（ステップ５３０）。回折光は、互いに干渉してスペックルパターンを生成する（ステップ５４０）。スペックルパターンの画像は、センサハウジングのオブジェクト表面に対する連続移動中に記録される（ステップ５５０）。次に、この相対移動は、スペックルパターンの連続画像を比較することによって決定される（ステップ５６０）。
【００６７】
図９Ｃを参照すると、スペックル画像形成方法は、高コヒーレント光のビームを発光すること（ステップ５００）によって開始する。高コヒーレント光が表面に投射して散乱光を生成する（ステップ５１１）。光制限要素は、アパーチャとレンズとを含み、レンズは、アパーチャの前に配置され、この光制限要素は、散乱光の入射角を制限するために使用される（ステップ５２２）。散乱光に光制限要素を通過させることによって、多数の回折光波が発生される（ステップ５３１）。回折光は、互いに干渉してスペックルパターンを生成する（ステップ５４０）。スペックルパターンの画像は、センサハウジングのオブジェクト表面に対する連続移動中に記録される（ステップ５５０）。次に、この表面に対する移動は、スペックルパターンの連続画像を比較することによって決定される（ステップ５６０）。
【００６８】
要約すれば、本発明は、スペックルを捕獲するための方法とデバイスを提供する。光制限要素を画像センサの前に配置することによって、スペックルが拡大され、スペックルパターンの相対移動の測定の便宜のために、スペックルパターンの変動が減少する。従って、スペックルパターンの相対移動を決定することが極めて容易である。本発明が光学式マウスに適用されて高精度と高感度でマウスの移動を検出出来る。更に、スペックルを捕獲するための開示された方法とデバイスは、多くの種類の表面に適用され得る。
【００６９】
本発明は、特定の実施の形態に関連して記述されたが、多くの代替、修正、及び変更が、前述に照らして明白であることが当業者には明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神と範囲内に入る全ての他のこのような代替、修正、及び変更を包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】本発明のシステム構造を示す。
【図１Ｂ】本発明のシステム構造を示す。
【図１Ｃ】本発明のシステム構造を示す。
【図２】本発明の光制限要素によって生成される回折現象の概略図である。
【図３】本発明によって形成されるスペックルの概略図である。
【図４】本発明に従うスペックルの移動を示す。
【図５Ａ】本発明において光学路差（ＯＰＤ）を示す概略図である。
【図５Ｂ】本発明において光学路差（ＯＰＤ）を示す概略図である。
【図６Ａ】本発明の他の実施の形態における光減少ユニットの概略図である。
【図６Ｂ】本発明の他の実施の形態における光減少ユニットの概略図である。
【図６Ｃ】本発明の他の実施の形態における光減少ユニットの概略図である。
【図７Ａ】本発明に第２のアパーチャを追加する概略図である。
【図７Ｂ】センサに入射する散乱光の入射角が、本発明の拘束アパーチャによって制限していることを示す概略図である。
【図８】本発明の用途を示す概略図である。
【図９Ａ】スペックル捕獲方法の流れ図である。
【図９Ｂ】スペックル捕獲方法の流れ図である。
【図９Ｃ】スペックル捕獲方法の流れ図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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